CN108504389B - 一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，包括移动床燃料反应器、快速床空气反应器、旋风分离器和载氧体储存器；所述移动床燃料反应器包括干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ；所述干燥热解段Ⅰ一端上设有进料装置，所述干燥热解段Ⅰ另一端与所述气化段II一端连通，所述气化段II另一端与所述燃烧段Ⅲ的一端连通，所述燃烧段Ⅲ通过管道依次与快速床空气反应器、旋风分离器和载氧体储存器连接形成封闭环；所述载氧体储存器内放置活性载氧体；所述燃烧段Ⅲ底部设有气化剂分布装置。本发明可以延长反应器中气固及固固接触的时间，从而提高碳基燃料的转化率，并可以实现粗煤气、洁净煤气的制备及CO2的有效分离。
Description
技术领域
本发明涉及燃料低碳转化燃烧设备领域，特别涉及一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置及方法。
背景技术
化学链燃烧技术(Chemical Looping Combustion，CLC)是一种具备CO2内分离特征的新型燃烧技术，无需消耗额外的能量便可实现CO2的分离；同时，该技术满足能量梯级利用的原则，可以提高系统中能量的利用效率；此外，该技术可以尽量抑制NOx的生成。因此，化学链燃烧技术应用于燃料的转化过程，对于减少我国CO2排放，实现燃料的经济、高效、清洁利用具有重要意义。
目前，利用化学链燃烧技术实现碳基燃料的转化基本途径是将碳基燃料直接引入燃料反应器，首先利用气化介质H2O或CO2对碳基燃料进行气化，生成合成气(主要为CO和H2)，然后载氧体颗粒再与合成气进行反应。因此，在燃料反应器中燃料的气化以及气化合成气与载氧体的反应同时进行。但是该方式的技术问题是与气化产物的燃烧速率相比，碳基燃料的气化速率低，气化过程是速率限制步骤。此外，由于载氧体的耐温性能的限制，空气反应器和燃料反应器的温度较低(一般＜1200℃)，低反应温度及低气化速率会造成反应速率很慢以及碳的不完全转化，也会严重影响碳基燃料的转化率，这限制了碳基燃料化学链燃烧技术的大规模推广及应用。目前的燃料反应器大多采用流化床反应器，碳基燃料和载氧体在该反应器中的停留时间短，造成未转化的碳损失大，主要表现在小颗粒飞灰中的碳会被烟气携带出燃料反应器，造成碳转化率的下降，而大粒径未转化的碳颗粒会循环进入空气反应器被空气氧化，造成碳捕集效率的下降。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置及方法，可以有效实现碳基燃料的分级利用，延长反应器中气固及固固接触的时间，从而提高碳基燃料的转化率，并可以实现粗煤气、洁净煤气的制备及CO2的有效分离。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，包括移动床燃料反应器、快速床空气反应器、旋风分离器和载氧体储存器；所述移动床燃料反应器包括干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ；所述干燥热解段I一端上设有进料装置，所述干燥热解段I另一端与所述气化段II一端连通，所述气化段II另一端与所述燃烧段Ⅲ的一端连通，所述燃烧段Ⅲ通过管道依次与快速床空气反应器、旋风分离器和载氧体储存器连接形成封闭环；所述载氧体储存器内放置活性载氧体；所述燃烧段Ⅲ底部设有气化剂分布装置，用于向所述移动床燃料反应器提供气化剂。
进一步，所述进料装置包括碳基燃料储箱和搅拌器，所述碳基燃料储箱安装在干燥热解段I一端上，所述碳基燃料储箱内设有搅拌器，所述搅拌器伸入干燥热解段I内部。
进一步，所述干燥热解段I上设有粗煤气出口A；所述气化段II上设有洁净煤气出口B；所述燃烧段Ⅲ上设有混合气出口C，所述混合气出口C依次与冷凝器和集气器连接，用于收集纯净的CO2。
进一步，所述气化剂分布装置内的气化剂为水蒸气、CO2中的一种或二者的混合物。
进一步，所述活性载氧体为金属载氧体或非金属载氧体。
进一步，所述金属载氧体为Cu基载氧体、Fe基载氧体、Mn基载氧体、Ni基载氧体、Co基载氧体中的一种或几种的混合载氧体。
一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合的方法，包括如下步骤：
准备阶段：所述载氧体储存器内放置活性载氧体，通过打开控制阀将活性载氧体送入所述移动床燃料反应器的燃烧段Ⅲ；通过气化剂分布装置向所述移动床燃料反应器提供气化剂；
干燥热解段Ⅰ反应阶段：碳基燃料储箱内加入碳基燃料，通过搅拌器将碳基燃料均匀分布于干燥热解段Ⅰ内部；所述碳基燃料在干燥热解段I内干燥后，所述碳基燃料发生热解反应，生成焦炭和释放焦油以及热解气体；
气化段II反应阶段：干燥热阶段Ⅰ生成的焦炭进入气化段II中，部分焦炭在气化剂存在情况下迅速的发生气化反应，生成洁净煤气；
燃烧段Ⅲ反应阶段：未气化的焦炭进入燃烧段Ⅲ，在气化介质存在的条件下发生气化，气化后的合成气与活性载氧体发生反应，生成CO2和H2O；生成的CO2和H2O通过冷凝器后，得到纯净的CO2；
活性载氧体氧化反应阶段：经过燃烧段Ⅲ反应活性载氧体转变为还原态活性载氧体，通过重力进入所述快速床空气反应器内，还原态活性载氧体与所述快速床空气反应器内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态活性载氧体；
重复利用氧化态活性载氧体：利用旋风分离器，将所述快速床空气反应器内的贫氧空气和所述氧化态活性载氧体通过旋风分离器进行分离，所述氧化态活性载氧体通过所述载氧体储存器进入所述移动床燃料反应器中。
进一步，所述干燥热解段Ⅰ反应阶段过程中干燥热解段Ⅰ的温度为200-600℃；所述气化段II反应阶段过程中气化段II的温度为600-1000℃；所述燃烧段Ⅲ反应阶段过程中燃烧段Ⅲ的温度为850-1100℃；所述快速床空气反应器内的温度为900-1200℃。
进一步，所述干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ内的气化剂压力为0.1-4.0MPa；所述干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ各段单位横截面积的气体标态上升速度均小于0.2m/s，所述碳基燃料在所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ各段的反应时间超过10min。
进一步，所述活性载氧体与碳基燃料的质量流量比低于30。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，利用移动床反应器，在该装置中活性载氧体和碳基燃料同向往下移动，气化介质往上移动。由于移动床燃料反应器各段单位横截面积气体标态上升速度均小于0.2m/s，移动床燃料反应器的有效容积应保证碳基燃料在干燥热解段、气化段及燃烧段每段的停留时间均超过10min。而传统的燃料反应器大多采用流化床，同样单位横断面积反应器内气体标态上升速度一般高于1m/s，这明显提高了小颗粒飞灰中的碳损失，燃料在床内的停留时间远小于60s，这提高了循环进入空气反应器中的未转化的大粒径的碳含量，从而使得碳转化率较低。本移动床燃料反应器延长了碳基燃料与活性载氧体的接触时间，可以明显提高碳的转化率。
2.本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，将移动床反应器分为干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ三段，实现了碳基燃料的分级利用，在装置顶部出口可以得到粗煤气，经过分离即可得到焦油并收集以作他用；在气化段可以得到几乎不含焦油的洁净煤气，此时煤气中的焦油含量极低；在燃烧段上部出口只需冷凝水蒸气即可得到纯净CO2，实现碳的有效捕集。
3.本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，气化段II进入干燥热解段Ⅰ的上行气体(包括煤气与水蒸气等)与上部的原料接触交换热量时，可以充分利用煤气和水蒸气的显热，降低了煤气的出炉温度，因而使得煤气及水蒸气带出的热损失大为减少，从而提高了系统的热效率，本发明装置特别适合于小型化的生产，燃料反应器出口气体可以不设余热回收系统。
4.本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，由于反应过程中需要载氧体从空气反应器中携带热量进入燃料反应器以维持该反应器的能量平衡及温度恒定，本发明移动床燃料反应器中设置的干燥热解段Ⅰ可以利用气化段II出口的气体对燃料进行干燥，与燃料直接进入燃烧段Ⅲ相比，明显降低了能量消耗，从而可以减小载氧体的循环量，可以使该装置中活性载氧体与燃料的质量流量比低于30。
5.本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合方法，通过干燥热解段Ⅰ反应阶段、气化段II反应阶段、燃烧段Ⅲ反应阶段和活性载氧体氧化反应阶段的相互作用，碳基燃料的碳转化率达到90％以上。
附图说明
图1为本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置结构示意图。
图中：
1-碳基燃料储箱；2-搅拌器；3-分配器；4-冷凝器；5-集气器；6-移动床燃料反应器；7-气化剂分布装置；8-控制阀；9-载氧体储存器；10-活性载氧体添加器；11-旋风分离器；12-快速床空气反应器；I-干燥热解段；II-气化段；Ⅲ-燃烧段；A-粗煤气出口；B-洁净煤气出口；C-混合气出口；D-气化介质进口；E-空气进口；F-贫氧空气出口。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，包括移动床燃料反应器6、快速床空气反应器12、旋风分离器11和载氧体储存器9；所述移动床燃料反应器6包括干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ；所述干燥热解段I一端上设有进料装置，所述进料装置包括碳基燃料储箱1和搅拌器2，所述碳基燃料储箱1安装在干燥热解段I一端上，所述碳基燃料储箱1内设有搅拌器2，所述搅拌器2伸入干燥热解段I内部，所述碳基燃料储箱1出口设有分配器3，用于将碳基燃料均匀分配到搅拌器2的叶片处，再通过搅拌器2均为分散在干燥热解段I内。所述干燥热解段I另一端与所述气化段II一端连通，所述气化段II另一端与所述燃烧段Ⅲ的一端连通。所述干燥热解段I上设有粗煤气出口A；所述气化段II上设有洁净煤气出口B；所述燃烧段Ⅲ上设有混合气出口C，所述混合气出口C依次与冷凝器4和集气器5连接，用于收集纯净的CO2。所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ之间可以通过缩放管来过渡连接。所述燃烧段Ⅲ通过管道依次与快速床空气反应器12、旋风分离器11和载氧体储存器9连接形成封闭环；所述燃烧段Ⅲ与载氧体储存器9之间设有控制阀8；所述载氧体储存器9上安装活性载氧体添加器10，用于补充活性载氧体。所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ各段单位横截面积的气体标态上升速度均小于0.2m/s，此处的气体标态为所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ内的反应的气体。
所述载氧体储存器9内放置活性载氧体；所述活性载氧体为金属载氧体或非金属载氧体。所述金属载氧体记为MexOy，所述金属载氧体为Cu基载氧体、Fe基载氧体、Mn基载氧体、Ni基载氧体、Co基载氧体中的一种或几种的混合载氧体。
所述燃烧段Ⅲ底部设有气化剂分布装置7，用于向所述移动床燃料反应器6提供气化剂。所述气化剂分布装置7内的气化剂为水蒸气、CO2中的一种或二者的混合物，通过气化介质进口D进入气化剂分布装置7。
本发明所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合的方法，包括如下步骤：
准备阶段：所述载氧体储存器9内放置活性载氧体，通过打开控制阀8将活性载氧体送入所述移动床燃料反应器6的燃烧段Ⅲ；通过气化剂分布装置7向所述移动床燃料反应器6提供气化剂；
干燥热解段Ⅰ反应阶段：碳基燃料储箱1内加入碳基燃料，通过搅拌器2将碳基燃料均匀分布于干燥热解段Ⅰ内部；所述的碳基燃料为煤、生物质、污泥中的一种或者其混合物。所述碳基燃料在干燥热解段Ⅰ内干燥后，被干燥之后的碳基燃料在300-600℃温度下发生热解反应，生成焦炭和释放焦油以及热解气体；热解气体主要包括CO、H2、CH4、CO2等，并产生焦炭进入气化段II；所述热解气体通过粗煤气出口A收集；
气化段II反应阶段：干燥热阶段Ⅰ生成的焦炭进入气化段II中，在600-1000℃温度下部分焦炭在CO2和H2O存在情况下迅速的发生气化反应，生成CO和H2的洁净煤气。其主要反应为：
C+CO2＝2CO；
C+H2O＝CO+H2；
C+2H2O＝CO2+2H2；
由于该段中的碳基燃料为焦炭，所以产生的气化气体为洁净煤气，基本不含焦油。部分未气化的焦炭进入燃烧段Ⅲ；在气化段II上部可得到洁净煤气；所述洁净煤气通过洁净煤气出口B收集；
燃烧段Ⅲ反应阶段：未气化的焦炭进入燃烧段Ⅲ，在850-1100℃温度下，气化介质发生气化，气化后的合成气与活性载氧体发生反应，生成CO2和H2O，其主要反应为：
C+H2O＝CO+H2；
MexOy+CO＝MexOy-1+CO2；
MexOy+H2＝MexOy-1+H2O
由于最终产物为CO2和H2O，通过冷凝器4后，纯净的CO2通过集气器5收集即可得到纯净的CO2；
活性载氧体氧化反应阶段：经过燃烧段Ⅲ反应活性载氧体转变为还原态活性载氧体记为MexOy-1，通过重力进入所述快速床空气反应器12内，所述快速床空气反应器12由空气进口E补充空气，还原态活性载氧体与所述快速床空气反应器12内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态活性载氧体；即其主要反应为：MexOy-1+1/2O2＝MexOy；所述快速床空气反应器12内的温度为900-1200℃。
重复利用氧化态活性载氧体：开启旋风分离器11，将所述快速床空气反应器12内的贫氧空气和所述氧化态活性载氧体通过负压吸入旋风分离器11内分离，所述氧化态活性载氧体通过所述载氧体储存器9进入所述移动床燃料反应器6中，完成碳基燃料化学链燃烧气化耦合的循环。通过旋风分离器11的贫氧空气出口F排出氧空气。
所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ内的气化剂压力为0.1-4.0MPa；所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ各段单位横截面积的气体标态上升速度均小于0.2m/s，所述碳基燃料在所述干燥热解段I、气化段II和燃烧段Ⅲ各段的反应时间超过10min。
实施例：将伊利诺斯煤作为碳基燃料，铁矿石作为载氧体运用于本发明中，其中煤的工业分析和元素分析数据如表1所示，铁矿石的组分分析如表2所示。
表1伊利诺斯煤的工业分析和元素分析
表2铁矿石的组分分析表
常压条件下，所述快速床空气反应器12温度为950℃，燃料反应器的干燥热解段I、气化段II及燃烧段Ⅲ温度分别为300℃、700℃、900℃时，实现了能源的分级利用；移动床燃料反应器与传统流化床燃料反应器的应用效果对比如表3所示，本发明小颗粒飞灰碳含量损失小于1％，循环进入空气反应器中大颗粒未转化的碳含量损失小于7％，根据碳转化率公式(燃料反应器出口气体中的含碳量与进入装置的碳基燃料中的碳含量比值)计算可得本发明中碳基燃料的碳转化率超过92％，而传统的流化床燃料反应器的碳转化率较低，约为50-80％，尽管目前文献中提及碳基燃料化学链燃烧过程中碳转化率超过90％，但是其所谓的碳转化率为燃料反应器与空气反应器出口含碳气体中所含的碳与系统进入的碳的比值，而本专利中的碳转化率仅指燃料反应器出口的含碳气体中的碳与进入系统的碳基燃料中的碳含量的比值进行计算，计算对象仅针对燃料反应器，未纳入空气反应器出口中的含碳气体中包含的碳。碳转化率超过92％主要是因为，本发明明显提高了固体燃料在燃料反应器中的停留时间(＞30min)，而传统的流化床反应器中固体燃料的停留时间＜60s；同时，可在移动床反应器出口检测出口温度小于300℃，而传统流化床燃料反应器的出口温度与设定温度相关，一般大于900℃；此外，该运行参数条件下，载氧体与燃料的质量流量比为28.2，明显低于传统流化床反应器中的载氧体与燃料的质量流量比值，效果明显。表3中的活性载氧体的质量流量为活性载氧体从移动床燃料反应器6到快速床空气反应器12，再从快速床空气反应器12到移动床燃料反应器6内，在化学链这个循环过程中的质量流量，本实施例可以看出活性载氧体与燃料的质量流量比低于30。
表3移动床燃料反应器与传统流化床燃料反应器的应用效果对比表
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，其特征在于，包括移动床燃料反应器(6)、快速床空气反应器(12)、旋风分离器(11)和载氧体储存器(9)；
所述移动床燃料反应器(6)包括干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ；所述干燥热解段Ⅰ一端上设有进料装置，所述干燥热解段Ⅰ另一端与所述气化段II一端连通，所述气化段II另一端与所述燃烧段Ⅲ的一端连通，所述燃烧段Ⅲ通过管道依次与快速床空气反应器(12)、旋风分离器(11)和载氧体储存器(9)连接形成封闭环；所述载氧体储存器(9)内放置活性载氧体；所述燃烧段Ⅲ底部设有气化剂分布装置(7)，用于向所述移动床燃料反应器(6)提供气化剂；所述干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ之间通过缩放管来过渡连接；所述干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ各段单位横截面积的气体标态上升速度均小于0.2m/s，所述碳基燃料在所述干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ各段的反应时间超过10min。
2.根据权利要求1所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，其特征在于，所述进料装置包括碳基燃料储箱(1)和搅拌器(2)，所述碳基燃料储箱(1)安装在干燥热解段Ⅰ一端上，所述碳基燃料储箱(1)内设有搅拌器(2)，所述搅拌器(2)伸入干燥热解段Ⅰ内部。
3.根据权利要求1所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，其特征在于，所述干燥热解段Ⅰ上设有粗煤气出口A；所述气化段II上设有洁净煤气出口B；所述燃烧段Ⅲ上设有混合气出口C，所述混合气出口C依次与冷凝器(4)和集气器(5)连接，用于收集纯净的CO2。
4.根据权利要求1所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，其特征在于，所述气化剂分布装置(7)内的气化剂为水蒸气、CO2中的一种或二者的混合物。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，其特征在于，所述活性载氧体为金属载氧体或非金属载氧体。
6.根据权利要求5所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置，其特征在于，所述金属载氧体为Cu基载氧体、Fe基载氧体、Mn基载氧体、Ni基载氧体、Co基载氧体中的一种或几种的混合载氧体。
7.一种根据权利要求1所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备阶段：所述载氧体储存器(9)内放置活性载氧体，通过打开控制阀(8)将活性载氧体送入所述移动床燃料反应器(6)的燃烧段Ⅲ；通过气化剂分布装置(7)向所述移动床燃料反应器(6)提供气化剂；
干燥热解段Ⅰ反应阶段：碳基燃料储箱(1)内加入碳基燃料，通过搅拌器(2)将碳基燃料均匀分布于干燥热解段Ⅰ内部；所述碳基燃料在干燥热解段Ⅰ内干燥后，所述碳基燃料发生热解反应，生成焦炭和释放焦油以及热解气体；
气化段II反应阶段：干燥热阶段Ⅰ生成的焦炭进入气化段II中，部分焦炭在气化剂存在情况下迅速的发生气化反应，生成洁净煤气；
燃烧段Ⅲ反应阶段：未气化的焦炭进入燃烧段Ⅲ，在气化介质存在的条件下发生气化，气化后的合成气与活性载氧体发生反应，生成CO2和H2O；生成的CO2和H2O通过冷凝器(4)后，得到纯净的CO2；
活性载氧体氧化反应阶段：经过燃烧段Ⅲ反应活性载氧体转变为还原态活性载氧体，通过重力进入所述快速床空气反应器(12)内，还原态活性载氧体与所述快速床空气反应器(12)内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态活性载氧体；
重复利用氧化态活性载氧体：利用旋风分离器(11)，将所述快速床空气反应器(12)内的贫氧空气和所述氧化态活性载氧体通过旋风分离器(11)进行分离，所述氧化态活性载氧体通过所述载氧体储存器(9)进入所述移动床燃料反应器(6)中。
8.根据权利要求7所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合方法，其特征在于，所述干燥热解段Ⅰ反应阶段过程中干燥热解段Ⅰ的温度为200-600℃；所述气化段II反应阶段过程中气化段II的温度为600-1000℃；所述燃烧段Ⅲ反应阶段过程中燃烧段Ⅲ的温度为850-1100℃；所述快速床空气反应器(12)内的温度为900-1200℃。
9.根据权利要求7所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合方法，其特征在于，所述干燥热解段Ⅰ、气化段II和燃烧段Ⅲ内的气化剂压力为0.1-4.0MPa。
10.根据权利要求7所述的碳基燃料化学链燃烧气化耦合方法，其特征在于，所述活性载氧体与碳基燃料的质量流量比低于30。
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